Materiali PCB

Guida alla Selezione dei Materiali PCB

Il PCB è la parte più importante dell’elettronica. In alternativa, l’acronimo è stato utilizzato anche per indicare printed wiring boards e printed wiring cards, che sono essenzialmente la stessa cosa. A causa del ruolo cruciale di queste schede in tutto, dai computer alle calcolatrici, la scelta del materiale per i circuiti stampati dovrebbe essere effettuata con attenzione e con la dovuta conoscenza dei requisiti elettrici del singolo apparecchio.

Prima dello sviluppo del PCB, i materiali delle schede dei circuiti erano per lo più ricoperti da grovigli di fili intrecciati e sovrapposti che potevano facilmente guastarsi in determinati punti. Potevano anche andare in cortocircuito quando l’età iniziava a farsi sentire e alcuni fili cominciavano a incrinarsi. Come ci si poteva aspettare, il processo manuale necessario per il cablaggio di queste prime schede era confuso e meticoloso.

Con la crescente varietà di componenti elettronici di uso quotidiano che hanno iniziato a fare affidamento sulle schede a circuito stampato, è iniziata la corsa allo sviluppo di alternative più semplici e compatte, e questo ha portato allo sviluppo del materiale PCB. Con i materiali PCB, i circuiti possono essere instradati tra una moltitudine di componenti diversi. Il metallo che facilita il trasferimento di corrente tra la scheda e qualsiasi componente collegato è noto come saldatura, che svolge anche una duplice funzione grazie alle sue proprietà adesive.

Composizione del materiale PCB

In genere, un PCB è composto da quattro strati, che vengono laminati a caldo insieme per formare un unico strato.I diversi tipi di materiali PCB utilizzati in un PCB dall’alto verso il basso includono serigrafia, soldermask, rame e substrato.

L’ultimo di questi strati, il substrato, è fatto di fibra di vetro eè anche noto come FR4, con le lettere FR che stanno per "ritardante di fiamma". Questo strato di substrato fornisce una solida base per i PCB, sebbene lo spessore possa variare a seconda degli usi di una determinata scheda.

Esiste anche sul mercato una gamma più economica di circuiti che non utilizza gli stessi materiali di substrato PCB sopra menzionati, ma è invece costituita da fenolici o epossidici. A causa della sensibilità termica di questi circuiti, tendono a perdere facilmente la loro laminazione. Questi circuiti più economici sono spesso facili da identificare dall’odore che emanano durante la saldatura.

Lo strato secondario del PCB è in rame, che viene laminato sul substrato mediante una combinazione di calore e adesivo. Lo strato di rame è sottile e, su alcune schede, sono presenti due strati di questo tipo: uno sopra e uno sotto il substrato. I PCB con un solo strato di rame tendono a essere utilizzati per dispositivi elettronici più economici.

L'ampiamente utilizzatolaminato rivestito di rameIl (CCL) può essere classificato in diverse categorie in base a differenti criteri di classificazione, tra cui il materiale di rinforzo, l’adesivo in resina utilizzato, la infiammabilità e le prestazioni del CCL. La breve classificazione del CCL è mostrata nella tabella seguente.

Al di sopra della soldermask verde si trova lo strato di serigrafia, che aggiunge lettere e indicatori numerici che rendono un PCB leggibile per i programmatori tecnici. Questo, a sua volta, facilita il lavoro degli assemblatori di componenti elettronici nel posizionare ogni PCB nel punto corretto e nella giusta direzione su ciascun componente. Lo strato di serigrafia è solitamente bianco, sebbene a volte vengano utilizzati anche colori come rosso, giallo, grigio e nero.

Termini tecnici degli strati PCB

Oltre a sapere comeIl PCB è stratificato, dovresti conoscere i termini tecnici che accompagnano l'uso dei PCB:

• Anello anulareL'anello di rame che circonda i fori su un PCB.

• RDCAcronimo di design rule check. In sostanza, il DRC è una pratica mediante la quale il progetto di un PCB viene verificato per assicurarne la funzionalità. I dettagli che vengono controllati includono la larghezza delle piste e i fori di perforazione.

• Colpo di trapano. Utilizzato per descrivere tutti i fori su un PCB, siano essi corretti o fuori posizione. In alcuni casi, un foro potrebbe essere leggermente impreciso a causa dell’uso di attrezzature di foratura usurate durante la produzione.
• Dito. Metallo esposto lungo il bordo della scheda che funge da punto di collegamento tra due PCB. Le dita si trovano più spesso nei vecchi videogiochi e nelle schede di memoria.
• Pezzi di topo. Una sezione del PCB eccessivamente forata al punto da minacciarne l'integrità strutturale.
• PadUn'area di metallo esposto su un PCB, sulla quale viene generalmente applicato un componente saldato.
• Pannello.Una grande scheda elettronica composta da schede più piccole, che alla fine vengono separati per l'uso individuale.
• Incolla stencil. Uno stencil metallico su una scheda, su cui viene applicata la pasta per la saldatura.
• Aereo. Una sezione più ampia di rame esposto su un PCB, delimitata da bordi ma priva di una traccia.
• Foro metallizzatoUn foro che attraversa direttamente un PCB, solitamente allo scopo di collegare un altro componente. Il foro è metallizzato e di solito presenta un anello anulare.
• SlotQualsiasi foro che non sia circolare. I PCB con asole sono spesso costosi a causa dei costi di produzione necessari per creare fori di forma irregolare su un circuito stampato. Le asole di solito non sono metallizzate.
• Montaggio superficialeUn metodo mediante il quale le parti esterne vengono montate direttamente sul PCB senza fori passanti.
• TracciaUna linea continua di rame su un PCB.
• Punteggio V. Un punto in cui la scheda è stata parzialmente tagliata. Questo può rendere un PCB vulnerabile alla rottura.
• ViaUn foro attraverso il quale i segnali viaggiano tra gli strati. Le versioni con tenting sono coperte con soldermask protettivo, mentre i via senza tenting sono utilizzati per il fissaggio dei connettori.

Il numero che precede uno strato si riferisce al numero esatto di strati conduttivi, che si tratti di uno strato di instradamento o di piano: i due tipi di strati. Gli strati tendono ad avere il numero 1 o uno dei quattro numeri pari successivi: 2, 4, 6, 8. Le schede a strati talvolta hanno numeri dispari, ma questi sono rari e farebbero ben poca differenza. Ad esempio, il materiale di base del PCB in una scheda a 5 strati o a 6 strati sarebbe praticamente identico.

I due tipi di layer hanno funzioni diverse. I layer di instradamento presentano piste. I layer di piano fungono da connettori di alimentazione e presentano piani di rame. I layer di piano includono anche isole che determinano la destinazione di segnalazione di una scheda, che sia 3,3 V o 5 V.

FR4 è il nome in codice per i fogli laminati in epossidica rinforzata con fibra di vetro. Grazie alla sua resistenza, nonché alla capacità di sopportare umidità e fuoco, FR4 è uno dei materiali più popolari tra tutti i tipi di materiali per PCB.

Ulteriori considerazioni sulla progettazione PCB

Un valore come 1,6 mm viene utilizzato per indicare lo spessore di un circuito stampato multistrato. Per i circuiti a 4 strati, 1,6 mm è la misura standard. Le schede con uno spessore maggiore, ad esempio, offriranno un supporto migliore quando è necessario sostenere componenti di collegamento pesanti.

Lo spessore standard del rame sugli strati di piano è di 35 micron. In alternativa, lo spessore del rame è talvolta indicato in once o grammi. È meglio optare per uno spessore del rame superiore al normale sulle schede che supportano molte applicazioni.

I binari non sono pensati per trasferire potenza, ma questo può talvolta accadere quando i segnali non gestiscono correttamente le frequenze. Se il problema non viene tenuto sotto controllo, i binari potrebbero finire per perdere grandi quantità di potenza. Per trasferire quanta più potenza possibile da un lato all’altro di un binario, il tracciato del binario deve tenere conto delle equazioni di trasmissione.

In generale, due pollici rappresentano la giusta distanza tra le piste sui circuiti a strati costituiti da materiale PCB FR4 con piste in rame, a condizione che il tempo di segnale sia di un nanosecondo. Tuttavia, è necessario considerare gli effetti della linea di trasmissione per lunghezze di pista elevate, soprattutto se l’integrità del segnale è fondamentale. Internet è pieno di programmi e fogli di calcolo progettati per aiutare le persone a effettuare correttamente i calcoli di impedenza per specifici circuiti a strati.

Sulla maggior parte delle schede, i via sono vuoti e di solito è possibile vederci attraverso. Tuttavia, esistono varie circostanze in cui i via possono essere riempiti. Per cominciare, è necessario che i via siano riempiti quando si tratta di formare barriere protettive contro polvere e altre impurità. In secondo luogo, i via possono essere riempiti per aumentare la capacità di trasporto di corrente, nel qual caso si possono utilizzare materiali conduttivi. Un altro motivo per cui i via possono essere riempiti è livellare una scheda.

I via sono generalmente riempiti con elementi a ball grid array (BGA). Se si verifica un contatto tra un pin BGA e uno strato interno, la saldatura potrebbe scivolare attraverso il via e finire su un altro strato. Pertanto, i via vengono riempiti per garantire che la saldatura non fuoriesca verso un altro strato e che l’integrità dei contatti sia mantenuta come previsto.

Una delle occorrenze più problematiche su una scheda a strati si verifica quando un contatto si interrompe e si ristabilisce in un punto lungo la scheda. Più spesso ciò accade, prima quella parte della scheda rischia di guastarsi del tutto. L’utente medio di elettronica domestica sperimenterà questo problema quando uno dei pulsanti di una calcolatrice smette di funzionare. Ogni pulsante preme su una parte specifica di una scheda a strati e, quando un punto si guasta, il pulsante che corrisponde a quel punto non può inviare il suo segnale.

Un altro modo in cui i contatti possono essere consumati in determinati punti è quando uno slot secondario per schede viene aggiunto a una scheda madre. Se la scheda viene maneggiata in modo improprio, uno dei punti lungo la scheda potrebbe danneggiarsi e smettere di funzionare da quel momento in poi. Il modo migliore per proteggere le superfici delle schede che entrano in contatto tra loro è l’uso di uno strato d’oro, che funge da barriera in grado di prolungarne la vita. L’oro può però essere costoso e il suo impiego nelle linguette aggiunge un’ulteriore fase al processo di fabbricazione dei PCB.

Soldermask PCB

Il colore con cui la maggior parte delle persone ha più familiarità quando si tratta di schede madri è il verde,il colore della soldermaskAnche se non è altrettanto comune, la soldermask a volte compare anche in altri colori, come il rosso o il blu. La soldermask è anche conosciuta con l’acronimo LPISM, che sta per “liquid photo imageable soldermask”. Lo scopo della soldermask è prevenire la fuoriuscita di saldatura liquida. Negli ultimi anni, gli episodi di questo fenomeno sono diventati più comuni a causa della mancanza di soldermask. Tuttavia, secondo la maggior parte delle testimonianze, gli utenti in genere preferiscono le schede che hanno la soldermask rispetto a quelle che ne sono prive.

Una volta che la soldermask è stata applicata al PCB, il PCB viene sottoposto a stagno fuso. Durante questo processo, le superfici esposte di rame diventano stagnate. L’intero processo è noto come livellamento a saldatura ad aria calda (HASL). Quando i chip SMD vengono saldati, la scheda viene riscaldata fino al punto in cui la saldatura assume una forma fusa e i componenti vengono posizionati nel loro alloggiamento corretto. Quando la saldatura si raffredda, anche i componenti risultano saldati. L’HASL di solito include il piombo come uno dei composti presenti nella saldatura, sebbene esistano anche opzioni senza piombo.

La spaziatura della larghezza delle piste è indicata da un trattino. Ad esempio, quando si vede la dicitura 6/6 mil, ciò specifica 6 mil come larghezza minima della pista, nonché come spaziatura minima tra le piste. Pertanto, tutte le spaziature sulla scheda in questione devono essere pari o superiori a 6 mil. Per chi non lo sapesse, le unità in mil sono utilizzate per determinare le distanze sui materiali PCB. Larghezza e spaziatura sono particolarmente importanti per le schede progettate per gestire elevate quantità di corrente.

Quando un circuito stampato (PCB) è multistrato, varie piste non possono essere esaminate visivamente per verificarne l’accessibilità. Pertanto, viene eseguito un test che posiziona delle sonde alle estremità delle piste per verificare che tutti i segnali siano raggiungibili. Il test viene effettuato applicando tensioni da un’estremità. Se queste tensioni vengono rilevate dall’altro lato, le piste sono considerate funzionanti. Sebbene il test non sia sempre indispensabile sulle schede con uno o due strati, è comunque consigliato se si tiene davvero alla qualità.

I vias che collegano gli strati interni ed esterni sono noti come vias ciechi. Il nome deriva dal fatto che tali vias possono essere individuati solo da un lato. I vias che collegano due o più strati interni sono noti come vias sepolti, i quali non possono essere individuati dall’esterno su nessuno dei due lati. Sulle schede che contengono vias ciechi e sepolti, viene spesso utilizzato il riempimento dei vias. Questo mantiene la superficie esterna più sicura e contribuisce a ridurre la possibilità che la saldatura scivoli attraverso e penetri nei vias interni.

Selezioni dei materiali che influiscono sui costi

I PCB in genere costano di più quando includono caratteristiche come linguette dorate, vias ciechi o interrati, o riempimento dei vias. Allo stesso modo, i PCB con spaziatura tra linea / larghezza inferiore a 6 mil tendono anch’essi a costare di più. Il motivo di questi prezzi più elevati è il processo alternativo che entra in gioco nella produzione di schede PCB non comuni. Allo stesso modo, alcuniProduzione di PCBsi rivelano non essere affatto così redditizi o di successo quando sono presenti mil di valore ridotto o vias interne, e il prezzo più elevato viene fissato per recuperare le perdite. Esistono produttori che realizzano PCB con misure di linea/spazio fino a 3 mil, ma questo in genere non è consigliato a meno che non sia la tua unica opzione per un particolare componente.

Impatto di Potenza e Calore sulla Selezione dei Materiali per PCB

Tra tutti i fattori che influiscono sui PCB, due dei più intensi sono la potenza e il calore. Pertanto, è fondamentale determinare le soglie per ciascuno di essi, cosa che può essere fatta valutando la conducibilità termica di un PCB. Questa definisce come la potenza in watt viene trasformata in temperatura lungo la lunghezza del materiale. Tuttavia, non esistono valori di conducibilità termica stabiliti a livello di settore.

Ad esempio, Rogers Corp. produce un materiale per PCB, RT/duroid 5880, che viene spesso impiegato in ambito EW e nelle comunicazioni. La costante dielettrica di questo materiale è bassa, poiché si tratta di un materiale composito che contiene elementi in microfibra di vetro. Queste microfibre mirano a incrementare la resistenza della fibra nel materiale.

Sebbene il PCB sia ideale per applicazioni che utilizzano alte frequenze, la bassa conducibilità termica del materiale lo fa riscaldare facilmente, il che può rappresentare un enorme svantaggio nelle applicazioni ad alta intensità di calore.

Materiali PCB e Applicazioni Industriali

Per applicazioni nei settori militare, aerospaziale, automobilistico e medico, i PCB sono prodotti sia in versioni monofaccia che bifaccia, alcune delle quali sono rivestite in rame e altre che utilizzano l’alluminio. In ognuno di questi settori, il materiale è impiegato per ottenere le massime prestazioni in aree specifiche. Di conseguenza, i materiali del core dei PCB vengono selezionati per la loro leggerezza in determinati settori o per la loro capacità di gestire elevate quantità di potenza in altri. Pertanto, quando si tengono in considerazione le attitudini prestazionali, è fondamentale determinare quali funzioni debbano essere confrontate tra loro nella scelta delle materie prime per PCB, poiché i livelli dei materiali sono correlati ai livelli di prestazione.

Schede Flessibili e Rigido-Flessibili

Negli ultimi anni, il flex eschede rigido-flessibilisono diventate sempre più popolari grazie alle possibilità che offrono in una varietà di utilizzi. In sostanza, possono essere piegate, ripiegate e persino avvolte attorno agli oggetti, quindi possono essere usate per realizzare applicazioni che non sarebbero mai possibili con circuiti stampati piatti. Ad esempio, una scheda flessibile potrebbe essere utilizzata per un’apparecchiatura che richiede che una scheda si ripieghi con un certo angolo e continui comunque a trasportare corrente da un’estremità all’altra senza la necessità di pannelli di collegamento.

La maggior parte dei circuiti flessibili presenti sul mercato è costituita da Kapton, una pellicola in poliimmide sviluppata dalla DuPont Corporation. Questa pellicola vanta caratteristiche quali resistenza al calore, stabilità dimensionale e una costante dielettrica di soli 3,6.

Kapton è disponibile in tre versioni Pyralux:
• Ritardante di fiamma (FR)
• Non ignifugo (NFR)
• Senza adesivo / alte prestazioni (AP)

Selezione dei materiali per PCB – La qualità prima di tutto

Quando si tratta di selezionare i materiali per i circuiti stampati (PCB), la qualità è di fondamentale importanza nella costruzione di qualsiasi tipo di scheda, sia che sia destinata all’elettronica domestica sia alle apparecchiature industriali. Un componente che contiene un circuito stampato può essere grande o piccolo, economico o costoso, ma ciò che conta di più è che l’elemento in questione offra prestazioni superiori per tutta la durata prevista della sua vita utile.

Sebbene esistano diversi tipi di materiali PCB che vengono utilizzati in una determinata scheda, l’affidabilità del prodotto è in definitiva ciò che consumatori e aziende cercano nei prodotti che utilizzano circuiti stampati. Naturalmente, è anche fondamentale che i materiali della scheda PCB siano abbastanza robusti da restare integri, anche se un componente viene accidentalmente fatto cadere o urtato lateralmente.

Sulle apparecchiature computerizzate, ad esempio, i PCB durevoli garantiscono che gli aggiornamenti hardware possano essere effettuati senza danneggiare i materiali delle schede PCB preesistenti. Lo stesso vale per i dispositivi elettronici, i forni a microonde e altri elettrodomestici che si basano sulla tecnologia PCB per rimanere funzionanti. Anche nelle strutture pubbliche elettroniche come i bancomat, i PCB devono funzionare senza guasti affinché i pulsanti operino correttamente e i comandi vengano recepiti senza ritardi.

PCBCart offre una gamma completa di servizi di fabbricazione e assemblaggio di PCB. Grazie ai nostri oltre 20 anni di esperienza e alle tecnologie innovative, siamo in grado di gestire diversi materiali di laminato e materiali di substrato, inclusi FR4, Rogers ecc., che sono i più popolari e ampiamente utilizzatiI nostri servizi sono stati utilizzati da ingegneri di diversi settori industriali, con obiettivi specifici per quanto riguarda il funzionamento e le prestazioni dei componenti che utilizzano PCB.

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